采用金属牺牲层的MEMS微镜制备方法

本发明涉及mems微镜制备，特别涉及一种采用金属牺牲层的mems微镜制备方法。

背景技术：

1、mems(micro-electro-mechanical systems)微镜是指采用mems技术制备的，通过微驱动器实现微反射镜驱动的一种mems光学器件。mems微扫描镜应用范围广泛，主要用于图形化扫描和激光的偏转。mems扫描镜的成本较低且可实现批量化生产，使其可以大量应用在对成本敏感的消费电子产品上。mems扫描镜是集材料学、力学、电磁学和光学等学科技术于一体的微光机电系统，同传统的多棱扫描镜技术和激光振镜技术相比，具有体积小、驱动功耗低、响应速度快和扫描频率高等优势。目前，mems扫描镜主要用于激光投影、虚拟现实近眼显示、增强现实近眼显示、mems三维成像激光雷达、汽车抬头显示(hud)、光通信、光学相干层析成像(oct)和共聚焦显微镜等领域，且非常满足智能手机、平板电脑和可穿戴设备的搭载要求。

2、梳齿结构在静电致动mems微扫描镜中被广泛应用。梳齿结构一般分为两类：一类是平面梳齿，由一组固定在衬底上的固定梳齿和一组由弹性结构支撑的可动梳齿组成，两者间隔交叉形成梳齿结构，适用于面内平动的场景；另一类是垂直梳齿，由多对在垂直方向上有高度差的可动梳齿和固定梳齿组合而成，适用于产生扭转等离面运动。垂直梳齿结构可用来制作微反射镜，但为了实现可动梳齿和固定梳齿的高度差会增加器件的制备难度。现阶段，垂直梳齿结构的实现方式主要有：键合工艺、多次光刻分别刻蚀、利用聚合物张力、利用塑性变形等，这些方式往往工艺复杂，难度高，可靠性较差。因此可以采用残余应力自组装的方式实现垂直梳齿高度差，可动梳齿、固定梳齿经过一步器件层的光刻与刻蚀便可形成，该方式工艺较为简单。

3、采用残余应力自组装工艺对硅器件层刻蚀通常选用深硅反应离子刻蚀(drie)工艺，以二氧化硅层作为刻蚀停止层，器件层硅单晶的反应离子刻蚀会自动在二氧化硅隔离层处停止，二氧化硅隔离层的存在保证了均匀一致的刻蚀深度，器件层刻蚀结束后形成镜面、悬臂梁、驱动梳齿等结构。然而，由于二氧化硅的绝缘特性，带电的刻蚀离子刻蚀至二氧化硅层时会在绝缘层表面积累形成局部内建电场，这个局部电场将其它入射离子向两端偏转，使得之后的带电离子在电场力的作用下偏离原来垂直向下的运动方向，进而刻蚀结构层的底部，产生严重的缺口效应(notching effect)，造成对静电梳齿等结构底部的严重刻蚀，这会造成器件良率大大降低，并对mems反射镜的性能造成严重影响。

技术实现思路

1、本发明提供一种采用金属牺牲层的mems微镜制备方法，提出针对残余应力自组装加工垂直梳齿结构的简化工艺，该工艺采用金属牺牲层作为导电刻蚀停止层，不仅可以避免缺口效应，提升器件可靠性和良率，而且工艺简单，适于大规模生产。

2、本发明实施例提供一种采用金属牺牲层的mems微镜制备方法，包括以下步骤：

3、步骤1：在晶圆正面通过化学气相沉积制备绝缘层，对绝缘层图案化，在晶圆正面旋涂光刻胶进行光刻，采用干法刻蚀工艺刻蚀出器件层表面需要引出驱动电信号的区域，在晶圆正面沉积金属层，并进行退火操作，在经退火的晶圆表面旋涂光刻胶进行光刻，采用干法刻蚀工艺刻蚀出镜面高反射层结构和电极；

4、步骤2：晶圆背部结构刻蚀，对晶圆背部旋涂光刻胶，光刻出图形，再进行干法刻蚀，刻蚀基底层至埋氧层形成背腔；去除部分绝缘层，保留光刻出的图形，采用干法刻蚀工艺刻蚀绝缘层；

5、步骤3：背面溅射金属牺牲层，采用磁控溅射工艺在晶圆背面直流溅射金属膜作为干法刻蚀器件层时的导电导热层；

6、步骤4：在器件层进行光刻形成正面镜面、框架、梳齿及隔离槽结构，再进行深反应离子刻蚀，刻到金属牺牲层为止；

7、步骤5：去除背面金属牺牲层，使用干法刻蚀技术刻蚀可动结构下方的金属膜，释放mems微镜的可动结构，得到mems微镜。

8、在本发明的一个实施例中，在步骤1中，刻蚀后器件层悬臂梁表面保留一层绝缘层，与构成悬臂梁的硅层形成双层结构，通过所述双层结构的残余应力不匹配产生垂直应力梯度，为梳齿提供垂直位移偏差。

9、在本发明的一个实施例中，在步骤2中，基底层与绝缘层光刻图案化时具有相同的光刻图形。

10、在本发明的一个实施例中，在步骤2中进行刻蚀后形成空腔结构，用于提供mems微镜绕悬臂梁做离面运动所需的空间。

11、在本发明的一个实施例中，在步骤3中制备的金属牺牲层为金属铝膜，在绝缘层被刻蚀后器件层裸露的下表面上制备目标金属牺牲层。

12、在本发明的一个实施例中，在步骤4中，静电梳齿以悬臂梁为轴对称分布，可动梳齿与固定梳齿在步骤3中一步刻成。

13、在本发明的一个实施例中，在步骤1之前还包括：

14、对晶圆进行前处理，采用稀释的缓冲氢氟酸溶液处理晶圆，去除表面自然氧化层，使用去离子水清洗并进行干燥。

15、在本发明的一个实施例中，在采用干法刻蚀工艺刻蚀出器件层表面需要引出驱动电信号的区域中，使用cf4气体和浓度为40％的h2刻蚀。

16、在本发明的一个实施例中，在采用干法刻蚀工艺刻蚀出镜面高反射层结构和电极中，使用三氯化硼气体刻蚀。

17、在本发明的一个实施例中，在进行干法刻蚀，刻蚀基底层至埋氧层形成背腔中，使用cl2和sf6气体刻蚀基底层。

18、本发明实施例的采用金属牺牲层的mems微镜制备方法，在mems器件制备过程中，首先对晶圆背部刻蚀形成空腔，然后对器件层背部表面磁控溅射金属铝层，既可取代二氧化硅绝缘层作为刻蚀停止层，又具有良好的导电导热性，可以有效减小缺口效应引起的根切及热量传递不均而导致光刻胶变质的现象。

19、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种采用金属牺牲层的mems微镜制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤1中，刻蚀后器件层悬臂梁表面保留一层绝缘层，与构成悬臂梁的硅层形成双层结构，通过所述双层结构的残余应力不匹配产生垂直应力梯度，为梳齿提供垂直位移偏差。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤2中，基底层与绝缘层光刻图案化时具有相同的光刻图形。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤2中进行刻蚀后形成空腔结构，用于提供mems微镜绕悬臂梁做离面运动所需的空间。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤3中制备的金属牺牲层为金属铝膜，在绝缘层被刻蚀后器件层裸露的下表面上制备目标金属牺牲层。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤4中，静电梳齿以悬臂梁为轴对称分布，可动梳齿与固定梳齿在步骤3中一步刻成。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤1之前还包括：

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在采用干法刻蚀工艺刻蚀出器件层表面需要引出驱动电信号的区域中，使用cf4气体和浓度为40％的h2刻蚀。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在采用干法刻蚀工艺刻蚀出镜面高反射层结构和电极中，使用三氯化硼气体刻蚀。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在进行干法刻蚀，刻蚀基底层至埋氧层形成背腔中，使用cl2和sf6气体刻蚀基底层。

技术总结
本发明公开了一种采用金属牺牲层的MEMS微镜制备方法，属于MEMS微镜制备领域，首先在晶圆正面制备绝缘层，光刻图案化并刻蚀；在晶圆背部图案化，依次对衬底和绝缘层进行刻蚀，刻至器件层底部停止；在背部空腔制备金属牺牲层；在晶圆正面光刻图案化及器件层刻蚀，刻至金属牺牲层停止；最后去除金属牺牲层，释放镜面等器件层可动结构。本发明通过使用导电性良好的金属制备金属牺牲层，可以避免绝缘层上表面形成内建电场，防止干法刻蚀MEMS微镜器件层时的缺口效应，提升了器件可靠性和产品良率，同时工艺简单，为制备垂直静电梳齿型MEMS微镜提供了一种新方法。

技术研发人员：王江羽,夏军
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15